第9章 膨胀的宇宙(2)

我们在这一章已经看到，在不到半个世纪的时候里，人们几千年来构成的宇宙观被窜改了。哈勃关于宇宙收缩的发明，以及关于我们本身的行星在茫茫宇宙中微不敷道的熟谙，只不过是起点罢了。跟着尝试和实际证据的堆集，人们越来越清楚地熟谙到，宇宙在时候上必须有个开端。直到1970年，在爱因斯坦广义相对论的根本上，彭罗斯和我才证了然它。这个证较着示，广义相对论只是一个不完整的实际，它不能奉告我们宇宙是如何开端的，因为它预言，统统包含它本身在内的物理实际都在宇宙的开端见效。但是，广义相对论宣称本身只是一个部分实际，以是奇点定理真正显现的是，在极初期宇宙中必然有过一个时候，当时宇宙是如此之小，人们不能再不睬会20世纪另一个巨大的部分实际――量子力学的小标准效应。20世纪70年代初期，我们被迫从极其庞大范围的实际了解宇宙窜改到从极其藐小范围的实际了解宇宙。在我们尽力将这两个部分实际连络成一个单一的量子引力论之前，上面起首描述量子力学这个实际。

1963年，两位苏联科学家欧格尼・利弗席兹和艾萨克・哈拉尼可夫做了别的的尝试，设法制止存在大爆炸并是以引发时候起点的题目。他们提出，大爆炸能够只是弗里德曼模型的特性，这个模型毕竟只是实在宇宙的近似。

1965年，我读到彭罗斯关于任何物体遭到引力坍缩必然终究构成一个奇点的定理。我很称心识到，如果人们将彭罗斯定理中的时候方向倒置以使坍缩变成收缩，假定现在宇宙在大标准上大抵近似弗里德曼模型，这定理的前提仍然建立。彭罗斯定理已经指出，任何坍缩星必然闭幕于一个奇点；当时候倒置的论证则是，任何类弗里德曼收缩宇宙必然是从一个奇点开端。为了技能上的启事，彭罗斯定理需求宇宙在空间上是无穷的前提。因而，在本色上，我能用它来证明，只要当宇宙收缩得快到足以制止重新坍缩时（因为只要那些弗里德曼模型才是空间无穷的），才必然存在一个奇点。

别的的一个解释是，宇宙在射电波向我们解缆的畴昔的那一时候具有比现在更麋集的源。任何一种解释都和稳态实际相冲突。别的，1965年彭齐亚斯和威尔逊的微波背景辐射的发明还指出，宇宙在畴昔必然麋集很多。是以必须丢弃稳态实际。

呼应地，如果，究竟也恰是如此，我们只晓得在大爆炸后产生的事件，我们就不能肯定在这之前产生甚么。就我们而言，产生于大爆炸之前的事件不能有结果，以是并不构成我们宇宙的科学模型的一部分。是以，我们应将它们从模型中割撤除，并宣称时候是从大爆炸开端的。

但是，他们厥后认识到，存在更加遍及的具有奇点的类弗里德曼模型，那边的星系不必以任何特别的体例活动。以是，他们在1970年撤回了本身的主张。

在第一类弗里德曼模型中，宇宙收缩后又坍缩，空间如同地球大要那样，曲折后又折回到本身。在第二类永久收缩的模型中，空间以别的的体例曲折，如同一个马鞍面。以是，在这类景象下，空间是无穷的。最后，在第三类刚好以临界速率收缩的弗里德曼模型中，空间是平坦的（而是以也是无穷的）。

固然弗里德曼只找到一个模型，实在满足他的两个根基假定的共有三类模型。在第一类模型（即弗里德曼找到的）中，宇宙收缩得充足慢，如许分歧星系之间的引力使收缩减缓，并终究停止。然后星系开端相互靠近，而宇宙收缩。刚开端时间隔为零，接着它增加到最大值，然后又减小到零；在第二类解中，宇宙收缩得如此之快，引力固然能使之迟缓一些，却永久不能使之停止。刚开端时间隔为零，最后星系以稳恒的速率相互分开；最后，另有第三类解，宇宙的收缩快到足以刚好制止坍缩。但是，固然星系分开的速率永久不会完整变成零，但是却会越变越小。

彭罗斯的成果乍看起来只合用于恒星，它并没有触及任何干于全部宇宙的畴昔是否有个大爆炸奇点的题目。但是，当彭罗斯在创作他的定理之时，我还是一名研讨生，正在极力寻求一个完成博士论文的题目。两年之前我即被诊断得了肌萎缩性（脊椎）侧索硬化症，凡是又称为卢伽雷病或活动神经细胞病，并且得知只要一两年可活了。

统统的弗里德曼解都具有一个特性，即在畴昔的某一时候（约100至200亿年之前）邻近星系之间的间隔必然为零。在这被我们称之为大爆炸的那一时候，宇宙的密度和时空曲率都是无穷大。因为数学不能真正地措置无穷大的数，这意味着，广义相对论（弗里德曼解以此为根本）预言，在宇宙中存在一点，在该措置论本身崩溃。如许的点恰是数学中称为奇点的一个例子。究竟上，我们统统的科学实际都是基于时空是光滑的和几近平坦的根本上表述的，以是它们在时空曲率为无穷大的大爆炸奇点处崩溃。

利弗席兹和哈拉尼科夫的事情是有代价的。因为它显现了，如果广义相对论是精确的，宇宙能够有过奇点，一个大爆炸。但是，它没有处理关头的题目：广义相对论是否预言我们的宇宙必然有过大爆炸或时候的开端？对于这个题目，英国数学家兼物理学家罗杰・彭罗斯在1965年以完整分歧的手腕给出了答复。操纵广义相对论中光锥行动的体例以及引力老是吸引这个究竟，他证了然，坍缩的恒星在本身的引力感化下堕入到一个地区当中，其大要终究缩小到零。并且因为这地区的大要缩小到零，它的体积也应如此。恒星中的统统物质将被紧缩到一个零体积的地区里，以是物质的密度和时空的曲率变成无穷大。换言之，人们获得了一个奇点，它被包含在一个叫做黑洞的时空地区中。

很多人不喜好时候有个开端的看法，能够是因为它略带有神的干与的味道。（另一方面，上帝教会抓住了大爆炸模型，并在1951年正式宣布，它和《圣经》相调和。）是以，人们多次诡计制止曾经存在过大爆炸的这一结论。

第一类弗里德曼模型的奇特特性是，宇宙在空间上不是无穷的，但却没有鸿沟。引力如此强大，将空间折弯使之再绕回到本身，如许就和地球的大要相称近似。如果有人在地球的大要上沿着必然的方向不断地观光，他将永久不会碰到一个不成超出的停滞或从边沿掉下去，反而终究回到他解缆的那一点。第一类弗里德曼模型中的空间与此非常相像，只不过地球大要是二维的，而它是三维的罢了。第四维时候在范围上也是有限的，但是它像一根有两个端点或鸿沟即开端和终端的线。今后我们会看到，当人们将广义相对论和量子力学的不肯定性道理连络在一起时，便能够使空间和时候都成为有限的，而没有任何边沿或鸿沟。

或许，在统统大抵近似实在宇宙的模型中，只要弗里德曼模型包含大爆炸奇点。在弗里德曼模型中，统统星系都直接相互分开――以是一点都不奇特，在畴昔的某一时候它们必须在同一处。但是，在实际的宇宙中，星系不但仅直接相互分开――它们另有一些斜向速率。以是，在实际上它们向来没需求刚幸亏同一处，只不过非常靠近罢了。或许，现在收缩着的宇宙不是来自于大爆炸奇点，而是来自于更初期的收缩相；当宇宙坍缩时，此中的粒子能够不都碰撞，而是相互离得很近飞过然后又分开，产生了现在的宇宙收缩。那么何故得知这实际的宇宙是否从大爆炸肇端的呢？利弗席兹和哈拉尼可夫所做的，是去研讨大抵和弗里德曼模型相像的宇宙模型，但是考虑了实际宇宙中的星系的不法则性和混乱速率。他们指出，即便星系不再老是直接相互分开，如许的模型也能够从一个大爆炸开端。但是他们宣称，这只在某些例外的模型中仍然能够产生，那边统统星系都以精确的体例活动。他们论证道，仿佛没有大爆炸奇点的类弗里德曼模型比有此奇点的模型多无穷多倍，以是我们的结论应当是，在实际上并没有过大爆炸。

在这类环境下，看来没有很多需求攻读博士学位了――我预感不能活那么久。但是两年畴昔了，我没有糟糕到那种程度。究竟上，我的事情还停止得相称好，还和一个非常好的女人简・瓦尔德订婚了。但是为了结婚，我需求一份事情；为了获得事情，我需求一个博士学位。

所谓的稳态实际获得过最遍及的支撑。这是由纳粹占据的奥天时来的两个灾黎――赫曼・邦迪和托马斯・高尔德，以及一个在战时和他们一道处置雷达研制的英国人，弗雷德・霍伊尔于1948年共同提出的。其设法是，当星系相互分开时，由正在持续产生的新物质在它们中的间隙不竭地构成新的星系。是以，在空间的统统点以及在统统的时候，宇宙看起来在大抵上是不异的。稳态实际需求对广义相对论停止修改，使之答应物质的持续天生，但是有关的产生率是如此之低（约莫每年每立方千米一个粒子），低到不与尝试相抵触。在第一章论述的意义上，这是一个好的科学实际：它非常简朴，并做出肯定的预言可让察看者查验。此中一个预言是，我们不管在宇宙的何时何地看给定的空间体积内星系或近似物体的数量必须一样。20世纪50年代晚期和60年代初期，由马丁・赖尔（他在战时也和邦迪、高尔德以及霍伊尔同事，作雷达研讨）带领的一个天文学家小组在剑桥对从外空间来的射电源停止了普查。这个剑桥小组指出，这些射电源的大多数必须位于我们星系以外（它们中的很多确切可被认证与其他星系相干），并且存在的弱源比强源多很多。他们将弱源解释为较远的源，强源为较近的源。成果发明，单位空间体积内浅显的源仿佛在近处比远处希少。这能够表白，我们处于宇宙的一个庞大地区的中间，这里的源比其他处所希少。

在随后的几年中，我生长了新的数学技能，从用于证明奇点必然产生的定理中撤除了这个和其他技术上的前提。最后的成果是1970年彭罗斯和我的合作论文。那篇论文最后证了然，假定广义相对论是精确的，并且宇宙包含着我们观察到的这么多物质，则畴昔必然有过一个大爆炸奇点。我们的事情遭碰到很多的反对，部分来自苏联人，因为他们对马克思主义科学决定论的信奉；另一部分来自某些人，他们以为全部奇点的看法是不分歧的，并糟蹋了爱因斯坦实际的完美。但是，人实在不能辩赢数学定理。以是我们的事情终究被遍及接管，现在几近每小我都假定宇宙是从一个大爆炸奇点肇端的。颇具讽刺意味的是，现在我窜改了设法，试图去压服其他物理学家，究竟上在宇宙的开端并没有奇点――正如我们将要看到的，一旦考虑了量子效应，奇点就会消逝。

操纵多普勒效应，可由测量星系分开我们的速率来肯定现在的收缩速率。这能够非常切确地实现。但是，因为我们只能直接地测量星系的间隔，以是它们的间隔晓得得不很清楚。我们晓得的不过是，宇宙在每10亿年里收缩5%~10%。但是，我们对现在宇宙的均匀密度测量得更不精确。我们如果将银河系和其他星系的统统能看到恒星的质量加起来，乃至按对收缩率的最低的估值而言，其质量总量还不到用以禁止收缩的临界值的1%。但是，在我们以及其他星系里应当包含大量的“暗物质”，那是我们不能直接看到的，但因为它的引力对星系中恒星轨道的影响，我们晓得它必然存在。别的人们发明，大多数星系是成团的。我们能近似地推断，由其对星系活动的效应，在这些成团的星系之间还存在更多的暗物质。将统统这些暗物质加在一起，我们仍只能获得为停止收缩必须的密度的1/10摆布。但是，我们不能解除如许的能够性，能够另有我们尚未探测到的其他的物质情势，它们几近均匀地漫衍于全部宇宙中，它仍能够使得宇宙的均匀密度达到停止收缩所必须的临界值。以是，现在的证据表示，宇宙能够会永久地收缩下去。但是，统统我们能真正必定的是，既然它已经起码收缩了100亿年，即便宇宙将要坍缩，起码要再过这么久才有能够。这不该使我们过分忧愁――到当时候，除非我们已到太阳系以外开辟了殖民地，不然人类早就跟着太阳的毁灭而灭亡殆尽！

但是究竟何种弗里德曼模型描述我们的宇宙呢？宇宙终究会停止收缩并开端收缩，还是将永久收缩下去吗？要答复这个题目，我们必须晓得现在的宇宙收缩速率和它现在的均匀密度。如果密度比一个由收缩率决定的临界值还小，则引力太弱不敷以将收缩停止；如果密度比这临界值大，则引力会在将来的某一时候将收缩停止并使宇宙坍缩。

这意味着，即便在大爆炸前存在事件，人们也不能用它们去肯定厥后所要产生的事件，因为可预感性在大爆炸处崩溃了。

一小我能够绕宇宙一周终究回到解缆点的思惟是科学胡想的好题材，但它在实际上并没有多粗心义。因为能够证明，一小我还没来得及绕回一圈，宇宙已经坍缩到了零标准。你必须观光得比光还快，才气在宇宙闭幕之前绕回到你的解缆点――而这是不答应的！